勃氏黏度計(jì)校準(zhǔn)方法

/ 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

勃氏黏度是用來表征和監(jiān)測明膠性能，研究和控制明膠硫化特性的參數(shù)，是合成明膠廠家控制明膠質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。QB 2354-2005《藥用明膠》、QB/T 1995-2005《工業(yè)明膠》、QB/T 1996-2005《骨膠》、QB/T 1997-2010《照明明膠》對(duì)明膠黏度指標(biāo)做了要求。而用于測試明膠勃氏黏度的勃氏黏度計(jì)的檢定或校準(zhǔn)尚無相應(yīng)的規(guī)程和規(guī)范。

通過分析勃氏黏度計(jì)設(shè)計(jì)原理，在參考JJG 155-2016《工作毛細(xì)管黏度計(jì)》檢定規(guī)程[1]、JJF 1274-2011《運(yùn)動(dòng)黏度測定器》校準(zhǔn)規(guī)范[2]、JJF 1030-2010《恒溫槽技術(shù)性能》測試規(guī)范[3]、JJG 617-1996《數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀》檢定規(guī)程[4]的基礎(chǔ)上，探討了一種用于勃氏黏度計(jì)的校準(zhǔn)方法，以期為勃氏黏度計(jì)的科學(xué)研究及計(jì)量工作提供借鑒。

1 儀器基本原理

勃氏黏度指在60 ℃下，100 mL明膠溶液流過標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管所經(jīng)過的時(shí)間經(jīng)換算后的黏度值[5]。隨著測黏技術(shù)的發(fā)展，勃氏黏度計(jì)的設(shè)計(jì)趨于智能化、自動(dòng)化，市場上勃氏黏度計(jì)多已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫、自行計(jì)時(shí)、智能換算成勃氏黏度的功能。

勃氏黏度計(jì)由毛細(xì)管黏度計(jì)、控溫系統(tǒng)、光電計(jì)時(shí)器、微機(jī)控制系統(tǒng)組成。圖1所示為勃氏黏度計(jì)ND-5系列主體結(jié)構(gòu)示意圖。在毛細(xì)管底部封閉狀態(tài)下，將明膠溶液裝液至毛細(xì)管黏度計(jì)中，系統(tǒng)恒溫穩(wěn)定后，打開光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)開始測試。放開毛細(xì)管底部，待明膠溶液上液面流過自動(dòng)計(jì)時(shí)器上端感光頭時(shí)儀器自動(dòng)計(jì)時(shí)，明膠上液面流過自動(dòng)計(jì)時(shí)器下端感光頭時(shí)停止計(jì)時(shí)，即為100 mL明膠溶液流過標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管所經(jīng)過的時(shí)間，通過式（1）計(jì)算勃氏黏度。

式中：t—— 100 mL明膠流過標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管時(shí)間，s；

A、B—— 黏度計(jì)常數(shù)，可做校正，

n—— 勃氏黏度，mPa·s；

ρ—— 明膠密度 , 需手動(dòng)輸入，kg/m3；

η—— 動(dòng)力黏度，mPa·s；

v—— 運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s

勃氏黏度計(jì)是對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度值的測定，根據(jù)密度值的輸入智能換算成勃氏黏度，最終以勃氏黏度的形式顯示。式（2）為運(yùn)動(dòng)黏度計(jì)算公式。動(dòng)力黏度是密度與運(yùn)動(dòng)黏度的乘積，如式（3），勃氏黏度和動(dòng)力黏度具有相同的形式。

圖1 勃氏黏度計(jì)結(jié)構(gòu)

2 校準(zhǔn)過程

由于勃氏黏度計(jì)理論上是對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度的測定，以勃氏黏度的形式顯示，屬運(yùn)動(dòng)黏度測量大類，校準(zhǔn)過程中環(huán)境要求部分參考JJF 1274-2011。勃氏黏度計(jì)測黏法采用的是毛細(xì)管法[6-7]，有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選擇參考JJG 155-2016。黏度受溫度影響顯著，勃氏黏度計(jì)溫控系統(tǒng)校準(zhǔn)部分參考JJG 617-1996。勃氏黏度計(jì)恒溫水浴槽溫度波動(dòng)度、均勻性校準(zhǔn)按照J(rèn)JF 1030-2010 進(jìn)行[8-9]。

2.1 環(huán)境要求

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境影響勃氏黏度計(jì)恒溫水浴，運(yùn)動(dòng)黏度測定器具有同勃氏黏度計(jì)相似的恒溫水浴結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)毛細(xì)管黏度計(jì)準(zhǔn)確度高于勃氏毛細(xì)管黏度計(jì)。根據(jù)勃氏黏度計(jì)使用說明，參照J(rèn)JF 1274-2011中對(duì)環(huán)境溫度波動(dòng)度的要求。本校準(zhǔn)方法在實(shí)驗(yàn)室溫度的波動(dòng)度不超過±2 ℃/2 h條件下進(jìn)行；相對(duì)濕度不大于80%；無影響儀器正常工作的電磁場干擾和振動(dòng)。

2.2 校準(zhǔn)設(shè)備

1）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

勃氏黏度計(jì)測黏范圍小于10 mPa·s，參照J(rèn)JG 155-2016附錄A.標(biāo)準(zhǔn)黏度液選擇參考，選擇2#或5#有證黏度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

2）測溫設(shè)備

應(yīng)采用分辨力和短期穩(wěn)定性均優(yōu)于被校準(zhǔn)恒溫系統(tǒng)最高溫場指標(biāo)3倍的測溫儀器或設(shè)備。因勃氏黏度計(jì)恒溫浴在60 ℃時(shí)波動(dòng)度約為0.1 ℃/10 min，本校準(zhǔn)方法采用準(zhǔn)確度等級(jí)為二等的鉑電阻溫度計(jì)，校準(zhǔn)后使用。

2.3 校準(zhǔn)項(xiàng)目及方法

根據(jù)影響勃氏黏度測量的因素，勃氏黏度計(jì)校準(zhǔn)項(xiàng)目應(yīng)包含：勃氏黏度計(jì)溫度示值誤差；恒溫水浴溫度波動(dòng)度、均勻性；黏度測量示值誤差、重復(fù)性。

1）溫度示值誤差

將勃氏黏度計(jì)溫控設(shè)置為60 ℃，水浴恒溫。恒溫穩(wěn)定后，使用二等鉑電阻溫度計(jì)重復(fù)測量六次，取平均值。按式（4）計(jì)算勃氏黏度計(jì)溫度示值誤差。根據(jù)測量結(jié)果對(duì)溫控系統(tǒng)做溫度修正。

式中：ΔT—— 溫度示值誤差，℃；

T—— 被校溫度計(jì)示值平均值，℃；

T0—— 標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)示值平均值，℃

2）溫度波動(dòng)度、均勻性

勃氏黏度計(jì)恒溫水浴槽溫度波動(dòng)度、均勻性校準(zhǔn)按照J(rèn)JF 1030-2010條款5.2進(jìn)行。

3）黏度示值誤差

采用酒精或石油醚將勃氏毛細(xì)管黏度計(jì)清洗干凈。設(shè)置溫控使水浴的實(shí)際溫度為（60±0.1）℃，恒溫20 min，重復(fù)測定四次，取平均值，根據(jù)式（4）計(jì)算示值誤差。

式中：Δn—— 黏度測量相對(duì)誤差，%；

n—— 勃氏黏度的測量平均值，mPa·s；η0—— 黏度標(biāo)準(zhǔn)液的動(dòng)力黏度，mPa·s

選用另一種標(biāo)準(zhǔn)黏度液，按照上述方法重復(fù)測定。根據(jù)式（1）即可對(duì)A、B常數(shù)做校正。

4）測量重復(fù)性

根據(jù)測量黏度標(biāo)準(zhǔn)液時(shí)的勃氏黏度示值，按式（6）分別計(jì)算兩次測量重復(fù)性，取較大值為該黏度計(jì)測量重復(fù)性。

式中：S—— 測量重復(fù)性；

nmax—— 勃氏黏度最大值；

nmin—— 勃氏黏度最小值；

n—— 勃氏黏度平均值

3 勃氏黏度計(jì)校準(zhǔn)實(shí)例

按照以上校準(zhǔn)方法對(duì)某公司生產(chǎn)的ND-5型勃氏黏度計(jì)做實(shí)驗(yàn)，對(duì)儀器參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度20～21 ℃，相對(duì)濕度（50～60）%RH。

將勃氏黏度計(jì)溫控設(shè)置為60 ℃，恒溫穩(wěn)定后使用二等鉑電阻溫度計(jì)重復(fù)測量六次，取平均值，校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。對(duì)控溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度修正后，在實(shí)際溫度為60 ℃下做水浴槽溫度波動(dòng)度、均勻性校準(zhǔn)，結(jié)果如表2所示。

采用酒精將勃氏毛細(xì)管黏度計(jì)清洗干凈，在勃氏毛細(xì)管黏度計(jì)下端密封狀態(tài)下，將2#二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黏度液裝入勃氏毛細(xì)管黏度計(jì)中，使標(biāo)準(zhǔn)黏度液上液面高于自動(dòng)計(jì)時(shí)器上端感光頭。在控制面板中輸入此標(biāo)準(zhǔn)黏度液密度值0.973 kg/m3。水浴槽恒溫20 min后打開光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)，放開勃氏毛細(xì)管黏度計(jì)下端密封，讓標(biāo)準(zhǔn)黏度液自然流下。儀器自動(dòng)記錄通過計(jì)時(shí)器上、下端面感光頭所需的時(shí)間，并顯示勃氏黏度值。重復(fù)四次，結(jié)果分別為2.48 mPa·s、2.48 mPa·s、2.48 mPa·s、2.47 mPa·s。采用 5# 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黏度液重復(fù)測量四次，結(jié)果分別為5.30 mPa·s、5.31 mPa·s、5.29 mPa·s、5.30mPa·s。 表 3 為 其示值誤差、重復(fù)性測量結(jié)果。

表1 勃氏黏度計(jì)溫控校準(zhǔn)

表2 勃氏黏度計(jì)恒溫水浴槽校準(zhǔn)

表3 勃氏黏度校準(zhǔn)

4 不確定度評(píng)定

4.1 測量模型

勃氏黏度測量示值誤差測量模型為

式中：Δn—— 黏度測量相對(duì)誤差，%；

η0—— 標(biāo)準(zhǔn)黏度液的標(biāo)準(zhǔn)黏度值，即測量時(shí)實(shí)際勃氏黏度值，mPa·s；

n—— 勃氏黏度的測量值，mPa·s

由式（6）可知，勃氏黏度測量示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源于如下幾部分：標(biāo)準(zhǔn)黏度液引入的不確定度uη，黏度液賦值由上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞，屬于B類不確定度。溫度效應(yīng)引入的不確定度un1，一是溫度場的不均勻、波動(dòng)un11，二是測溫設(shè)備的準(zhǔn)確度引起的不確定度un12，前者屬于A類不確定度，后者屬于B類不確定度。計(jì)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)時(shí)引入的不確定度un2，主要是系統(tǒng)分辨力帶來的誤差，屬于B類不確定度。測量重復(fù)性引入的不確定度un3，屬于A類不確定度。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

1）標(biāo)準(zhǔn)黏度液引入的不確定度

查二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黏度液校準(zhǔn)證書，2#和5#標(biāo)準(zhǔn)黏度液擴(kuò)展測量不確定度均為0.26%，包含因子k= 2，則：

2）溫度效應(yīng)引入的不確定度

測試中使用的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黏度液每變化1 ℃引起的示值誤差不超過±5%。勃氏黏度計(jì)恒溫浴在60 ℃時(shí)波動(dòng)度約為0.1 ℃/10 min，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黏度液受溫度的影響示值誤差不超過0.5%[10]。采取均勻分布，則溫度場的不均勻、波動(dòng)引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

所使用的測溫設(shè)備在60 ℃溫度點(diǎn)下擴(kuò)展不確定度為0.009 ℃，其準(zhǔn)確度引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

3）系統(tǒng)分辨力引入的不確定度

系統(tǒng)顯示分度值為0.01 mPa·s，選用2#二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黏度液時(shí)，系統(tǒng)分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

4）測量重復(fù)性引入的不確定度

采用2#、5#二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黏度液分別重復(fù)測試四次，結(jié)果分別為 2.48 mPa·s、2.48 mPa·s、2.48 mPa·s、2.47 mPa·s；5.30 mPa·s、5.31 mPa·s、5.29 mPa·s、5.30 mPa·s。采用極差法：

取較大值，則：un3= 0.20%

4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

測量模型中各項(xiàng)獨(dú)立，則：

4.4 相對(duì)擴(kuò)展不確定度

取包含因子k= 2，則：

5 結(jié)語

本文探討了一種針對(duì)勃氏粘度計(jì)的校準(zhǔn)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)勃氏黏度計(jì)溫度，配套恒溫水浴槽波動(dòng)度、均勻性，以及勃氏黏度值、測量重復(fù)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。能夠?yàn)榇祟悆x器的科學(xué)研究和計(jì)量工作提供借鑒。

[1]全國物理化學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 155-2016工作毛細(xì)管黏度計(jì)檢定規(guī)程[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2016.

[2]全國物理化學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1274-2011運(yùn)動(dòng)黏度測定器校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)量出版社，2011.

[3]全國溫度計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1030-2010恒溫槽技術(shù)性能測試規(guī)范[S].北京：中國計(jì)量出版社，2011.

[4]上海市技術(shù)監(jiān)督局.JJG 617-1996數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀檢定規(guī)程[S]. 北京：中國計(jì)量出版社，1996.

[5]中國日用化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)明膠分會(huì). QB 2354-2005藥用明膠[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[6]龐愛青.減少毛細(xì)管黏度計(jì)檢定的影響因素[J].上海計(jì)量測試，2007，34（5）：21-22 .

[7]李紅.毛細(xì)管黏度計(jì)檢定影響因素分析及控制[J].計(jì)量技術(shù)，2014（7）：49-52 .

[8]李丹丹.精密恒溫槽技術(shù)性能的測試方法[J].工業(yè)計(jì)量，2001（s1）：266-267 .

[9]朱晨彬.恒溫槽自動(dòng)檢測裝置的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2014.

[10]孟輝.毛細(xì)管黏度計(jì)常數(shù)檢定結(jié)果不確定度的評(píng)定[J].工業(yè)計(jì)量，2011（s2）：177-178.